基于单片机对电梯门机控制系统的设计

电梯门机控制系统设计与分析 1.1 电梯门机 控制系统 运行曲线的设计 门机运行曲线的示意形状如图 4-1 所示。门机运行曲线按速度分区为 :关门力矩保持区 A0，开门低速区 A1，开门加速区 A2，开门高速区 A3，开门减速区A4 开门末段低速区 A5，开门力矩保持区 A6，关门低速及加速区 A7，关门高速区 A8，关门减速区 A9，关门末段低速区 A10，并且要求高速时速度过渡为光滑的 S 形曲线，其中高速过渡点为 I2， I3， I6 和 I7。 图 1-1 电梯门机理想运行曲线图 1.1.1 门机运行 曲线 的分段实现 门机正转与反转运行曲线的 设计原理是一样的，以下就以电机正转开门的运行曲线设计的实现为例进行讨论。为了论述方便，现以开门减速段的实现方法说明曲线计算过程。设计开门运行曲线时，门机控制系统的速度变化采用如图 4-2所示的速度与时间关系。 图 1-2 门机系统加减速特性 由上述的时间速度控制可讨论系统运行的位移速度曲线。 “S 门位移； t 时间； V 电机的速度； T 速度变化的时间间隔； dV在 T 内的速度变化。在速度下降的过程中，速度从0V开始下降，则在 t 时刻，0() dV t V V t ，又 ()dsVtdt ，则有 01011 20 0 000220 1 0 1 0 11( t ) ( )21( ) ( ) ( )2ddVVVVt VVdddS V d t V V t d t V t V tV V V V V VV （ 4-1） 在一个速度变化时间 T 内，01dV V V，则 0 1 0 d( ) 2 ( 2 ) 2TS V V V V （ 4- ） 由此可知在一个 T 内，其中 T 由门机的一个程序运行循环时间所确定门位移的距离与0(2 )dVV成正比 ，当0V大时则门位移也大，当0V小时则门位移也小 ;在0V相同的情况下，如果要改变速度下降的快慢，则可改变dV的大小 ;同时由以上的推导可知，系统运行位移 S 与电机速度 V 是成二次曲线关系，则运行曲线在高速前后的加减 速变化是相当平滑的，而且加减速的过程相当迅速。 图 4-3 开门运行位移速度曲线 由运行的对称性可知在加速段过程，其位移速度特性与减速段过程相类似，可得开 门 运行曲线的特性曲线，实际设计的门机控制系统开门运行曲线如图 4.3所示，门机系统的关门运行曲线与开门曲线基本成中心对称关系 1.1.2 S 曲线加减速过程 很好地实现电机加减速过程的 S 曲线，可使门机系统具有良好的运行特性，使电梯门开关平稳，减小电机所受的负载冲击，提高系统的可靠性，延长系统的使用寿命。 本设计 将电机的加减速过程分为三段，以加速过程为例， 第一段采用匀加加速方式，第二段采用匀加速方式，第三段采用匀减加速方式，其工作曲线如图4-4 所示。同理对于减速过程也可以分为三个阶段，其加速与减速曲线如图 4.5所示。 图 4-4 加速过程 S 曲线 图 4-5 加速曲线与减速曲线 下面，以加速过程为例介绍 S 曲线的获得 。 1.1.3 连续时间下的分段速度表达式 系统中假设匀加加速段 (第一段 )和匀减加速段 (第三段 )时间相等，且加加速度值和减加速度值相等。于是有 1 3 2t t t（ 4-3） 现分段计算： （ 1） 初试状态 0t 时，有 () 0 a ( 0 ) 0 ( 0 ) 0d a t vdt ， ， （ 4-4） （ 2） 匀加加速段，即10 tt时，加速度的变化率为一常数，用 ()da t dt 来表示加速度的变化率，则有 ( ) bd a t d t b ， 为 一 大 于 零 的 常 数 （ 4-5） 其中 b 是加加速度值，也是减加 速度的绝对值，积分可得 00()( ) ( 0 ) 0 = bttd a ta t a d t b d t tdt （ 4-6） 2001( ) ( 0 ) ( ) 0 = b2ttv t v a t d t b d t t （ 4-7） 当1tt时，将1tt代人式（ 4-6）和（ 4-7）得 11()a t bt（ 4-8） 2111() 2v t bt （ 4-9） （ 3） 匀加速段，即12t t t11( ) ( )a t a t bt（ 4-10） 112 2 21 1 1 1 1 111( ) ( ) ( ) 22ttv t v t a t d t b t b t d t b t b t t b t 21112bt t bt（ 4-11） 当2tt时，分别代人 （ 4-10）和（ 4-11）可得 21()a t bt（ 4-12） 22 1 2 11() 2v t b t t b t （ 4-13） （ 4） 匀减加速 ()da t dt b （ 4-14） 22211 1 2 3()( ) ( ) ( )ttd a ta t a t d t b t b d tdtb t b t b t b t b t （ 4-15） 2223 2 1 2 1 31( ) ( ) ( ) ( )2ttv t v t a t d t b t t b t b t b t d t 221 2 1 3 2 2 3 21 1 12 2 2b t t b t b t t b t b t t b t 2222 1 3 1 3 21 1 1() 2 2 2b t t t b t b t t b t b t 2223 1 21 1 12 2 2b t t b t b t b t （ 4-16） 当3tt时，分别代人（ 4-15）和（ 4-16） 3( ) 0at（ 4-17） 2 2 23 3 1 21 1 1() 2 2 2v t b t b t b t （ 4-18） 以上得出了匀加加速段调速过程的加速度式和速度式。 1.1.4 连续 S 曲线的离散化 若将 S 曲线加速 /减速过程按时间平均分为 20 段，即3 20t ，包括起点在内，共有 21 点。为了使电机加速 /减速具有良好的特性，可将匀加加速段和匀减加速段适当取长一些，系统中1 8t ,2 12t ，即匀加加速段和匀减加速段分别占 8 个时间段，而匀加速段占 4 个时间段。加速度变化率的绝对值 b 是一系数，为方便分析，取 1b 。 以上参数定好后，带入前面所得各式，可求出各时间点的速度值，以 5t 点为例，该点位于第一段，按第一段所得表达式计算。 22111( 5 ) 1 5 1 2 . 522v b t （ 4-19） 为方便数字量的存储，将计算出的速度乘以 2，使之为整数。各速度点的对应值如表 4-1 所示。 表 1-1 各速度点对应的样点值 t da/dt a v 2v 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 8 8 8 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0.5 2 4.5 8 12.5 18 24.5 32 40 48 56 64 71.5 78 83.5 88 91.5 94 95.5 96 0 1 4 9 16 25 36 49 64 80 96 112 128 143 156 167 176 183 188 191 192 1.1.5 S 曲线的实现 系统中将 20 个 2v 值保存在一个一维数组中 (不存零点 )，在主程序中系统初始化时将此数组设定为字符型全局变量，同时进行赋值。因为最大值为 192 小于256，可保存在一个字节中，所以将其设置为字符型，可节省数据存储器空间。 实际运行中，需要加速 /减速时，程序先根据加速 /减速前后速度之差，以及第一加减速时间 (正常运行情况 )或第二加减速时间 (堵转开门情况 )，计算出整个加速 /减速所需时间，再计算出每一步所需时间。将此时间换算成 TimerA 的定时值，由 TimerA 定时中断确定。对于具体的每一步，程序根据加速 /减速前后速度之差，与当前步的 2v/192 相乘，得到当前所需转速与初始转速的偏移量，在与初始转速相加 (加速情况 )减 (减速情况 )，得到当前所需转速，输出相应宽度的PWM 波，达到控制目的。 1.2 数字 PID 控制器 的算法与参数选择 PID 控制算法是由比例，积分和微分三种算法组成。所以只要分别求出比例，积分和微分三种算法，然后将它们综合起来，就得到 PID 算法。下式即 为增量式的 PID 控制器的算法 : 231211 nnnnnn eKeKeKmmm（ 4-20） 其中 1 dP KKK T（ 4-21） 21 2 dP KK K T K T （ 4-22） 3 dKK T（ 4-23） 离散 PID 控制算法的控制参数主要是dIP KKK ,和采样周期 T 。 PID 控制器的质量主要决定于参数的选择是否合理。下面介绍上述参数选择的一些经验。 （ 1）采样周期 T 的选择 采样周期应比控制对象的最小一个时间常数还要小，否则采样信号无法反映系统的真实的过度过程。采样的频率至少为有效信号频率的两倍，实际上选用 4到 6 倍。采样频率的选择还应注意系统主要干扰的频谱，特别是工业电网的干扰，一般希望它们有整数倍的关系，这对抑制干扰大为有益。 （ 2）dIP KKK ,的选择 比例常数 加大时，表示系统的放大倍数增加，系统的稳态误差将减小，提高了控制精度 .通常比例系数是根据系统稳态误差的要求来选择，此外，当其增大时系统反应灵敏，但过大的 PK 将使系统趋于不稳定。 积分控制能消除惯性系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度，但积分控制通常使系统的稳定性变差，需要合理的进行积分系数 IK 的选择。 微分控制作用能反应误差变化率，产生越前的校正作用。合理地选择dK可以改善系统的动 态性能。 1.3 计算控制电路 由系统组成框图可见，计算控制电路是整个电梯门机控制系统的核心，它的正常工作是整个系统稳定的前提。由于电机控制的复杂性和即时性，要求控制电路具有强大的计算能力和快速的处理能力。在本系统中，采用了 ATMEL 公司的AT89C51 单片机作为控制电路的处理单元，外加各种信号调整电路和参数掉电保持电路组成整个计算控制电路。 1.3.1 参数掉电保持电路 由于系统要求在掉电或停机后，下一次再开始运行时，应按照上一次的运行状态运作。因此，系统采用了参数掉电保持电路。此设计利用 TL7705 构成的电源监控电路，使单片机系统在掉电时自动保护现场数据。 （ 1） TL7705 的工作原理 TL7705 是电源监控用集成电路，采用 8 脚双列直插式封装，其内部结构图4-6 所示。图 4-6 中，基准电压发生器具有较高的稳定性，可由 1 脚输出 2.5V 基准电压，为了吸收电源的同脉冲干扰，通常在 1 脚上接一个 0.1F的滤波电容来提高其抗干扰能力，被监控的电源电压由 SENSE 端 7 脚引入，经过 R1 和 R2 分压后送入比较器 CMP1，与基准电压进行比较，当其值小于基准电压时， T1 导通，定时电容 CT 通过 T1 放电，使 CMP2 比较器翻转， T2 和 T3 导通，输出脚RESET 为高电平， SESET 反为低电平，当送入 CMP1 比较器的电压高于基准电压时， T1 截止 100A 恒流源给 CT 充电，当 CT 上的电压高于 2.5V 时， CMP2比较器翻转， T2 和 T3 截止， RESET 和 RESET 反输出关断。 图 4-6 TL7705 内部结构图 （ 2） TL7705 与 AT89C51 的接法 图 4-7 中， R1、 C1 和 74LSO4 构成单片机的上电自动复位和手动按钮复位电路，备用电池 P1 及 D1、 D2 实现掉电时备用电池的切换。电源正常时 D1 不导通， 5V 直接给单片机供电，并为电池 P1 充电，为了减小电池耗电，备用电池只给单片机供电，保护片内 RAM 中的数据，电源掉电后，其他外围电路的工作电压仅靠电源电容维持很短的时间，电位器 RW 用来调节检测电压，范围为4.5 4.75V，当掉电时，外围电路的电压下降到门限设定电压时，可将片外 RAM中需要保护的数据写入片内 RAM 中，并使单片机进入掉电工作方式以完成数据保护，为了保证单片机有足够的处理时间，取检测电压为 4.75V，当电源电压降至 4.75V 时， TL7705 由 RESET 反向单片机发出中断请求信号（ INTO 反）。单片机运行到一个可断断点后，相应中断 ，在中断服务程序中保护现场数据，使单片机进入掉电工作状态。 图 4-7 TL7705 与 AT89C51 的接法 1.3.2 电机转速反馈和电机运行方向辨别电路 本系统中采用了光电码盘来测量电机的转速，由于电机的转速较低，所以在测速时，使用了 T 法也即测量几个脉冲之间的间隔时间来测速。为了满足测速精度要求，光电码盘使用了 120 齿 /圈的码盘，保证了在低速时也有很好的精度。 在电梯门机运行参数中，电机运行方向是一个重要参数。常用的方向辨别法有判别电机反电势相序的方法和光栅辨向电路法，由于本系统中速度反馈 电路采用了光电传感器，而光栅辨向电路可共享光电传感器，因此本系统采用了这种方法。具体电路如图五所示。实现的方法是将两个光电传感器相差 900 相位安装，使它们产生相差 900 相位的 A、 B 相脉冲波，经整形后送到辨向电路中， R1、 C7将 A 相脉冲的前沿微分，微分尖脉冲同时加到两个与非门 IC12A 和 IC12C，而它们分别由信号 B 和 /B 来选通，在电机正向运转时， FOR 点为高电平，在电机逆向运转时， REV 点输出高电平。 图 4-8 测速及辨向电路 1.3.3 位置反馈及开关译码电路 本系统中使用的是无刷直流电动机，它的 速度调节需要其转子位置信号。转子位置信号的产生可分间接位置检测技术和直接位置检测技术，间接位置检测技术即通过测试电机绕组的反电势，经计算求得，但在电机启动或低速运行时，电机反电势没有或很低，而此时的干扰又强，很难精确得出转子位置信号，这就需要进行特别处理，例如外同步方法并采用滤波来解决电机的起动和低速运行，这就增加了系统的复杂度，因此本系统没有采用这种方法。 直接位置检测技术又分霍尔元件法，光电传感器法、差动变压器法以及接近开关法，在这之中，光电传感器具有高精度、高可靠性的特点，所以本系统中采用了光电传感器 加码盘的方法。具体电路如图 4-9 所示。 A、 B、 C 三相位置信号是由三个互差 120。电角度的光电传感器送出的方波信号，经过 LM324 整形后，送入 AT89C51 进行最优电流导通角处理，处理后输出的三个互差 1200 电角度的方波信号送到 GAL16VS 进行开关译码。本系统使用的是 1200 导通方式 ， 采用这种控制方式，具有以下优点 ： （ 1）不会出现 1800 控制方式中极力避免的上下桥臂直通现象 ； （ 2）与 1200 方波电机相匹配，可达到极佳运行特性 ； （ 3）导通逻辑简单，由于不用考虑死区问题，实现容易。 图 4-9 位 置反馈及开关译码电路 GAL16V8 同时将译出的控制导通信号与 PWM 调制信号、故障自锁信号、电机正反转信号一起译码，实现电机转速、方向控制和故障保护功能。 在实现 PWM 调制时，通常采用半桥全调制，即 6 个功率管中，只有上半桥的三个管子参与 PWM 调制，而下半桥的三个管子不参与 PWM 调制。这种方法与 6 个管子均参与 PWM 调制的全桥全调制相比，尽管开关损耗降低了一半，但却造成了 6 个管子的开关损耗不均等，即下半桥的三个管子开关损耗低，上半桥的三个管子开关损耗高。为克服这一缺点，在本系统中采用了一种单极半调制的PWM 控制 方式。如图 4-10 所示。 A、 B、 C 为转子位置传感器输出信号，功率管 Ql Q6 的 6 路控制信号为Tl T6。采用这种调制方式，任意时刻只有一个功率管受调制，每只管子在 120导通期间仅有后 60“的调制作用。功率器件开关次数减少了一半。与全桥双极性调制相比，可明显降低开关损耗、并使损耗平均分配在每个管子上。在控制系统中采用了可编程逻辑器件 GAL 来实现无刷直流电动机的换相功能。该 GAL 芯片输入 PWM 波，位置信号 A、 B、 C，故障锁定信号 LK 和转向信号 DIR;输出为 Tl T66 路驱动信号，其逻辑函数表达式如下： 1 + A B C D I R L KT A B D I R P W M L K + + A B C L KA B D I R P W M L K D I R 2T = + A B C L KA C D I R P W M L K D I R + A B C L KA C D I R P W M L K D I R 3 + A B C L KT B C D I R P W M L K D I R + A B C L KB C D I R P W M L K D I R 4 + A B C L KT B A D I R P W M L K D I R + A B C L KB A D I R P W M L K D I R 5 + A B C L KT C A D I R P W M L K D I R + A B C L KC A D I R P W M L K D I R 6 + A B C L KT C B D I R P W M L K D I R + A B C L KC B D I R P W M L K D I R 图 4-10 单级半调制开关信号 GAL 芯片在控制系统中起到了非常重要的作用可归纳为几点 : （ 1） 实现了电机驱动的快速换相功能。由于 GAL 芯片的快速性，其输出能迅速跟踪输入的跳变，及时判断位置传感器发出的信号，完成其换相功能。 （ 2） 用硬件实现了 PWM 波的单极半调制，使开关损耗平均分配在上下桥臂的 6 个管子上，减轻了总体上 IGBT 功率器件的负担，延长了 管子寿命。 （ 3） 用一个简单的开关量实现了电机的正、反转，只要改变 GAL 芯片上DIR 管脚的电平，高电平时，按图 3.8 的正转逻辑触发 Tl 一 T6，使电机正转，低电平时，按反转逻辑触发电机反转。 开关信号从 GAL16VS 输出后，经过 74LS04 的驱动， 6N136 中，由 6N136输出 15V 的开关信号驱动 IPM。 6N136 送到高速数字光祸将强电的地和弱电的地隔离开来，保证系统的可靠性。这部分的电路有相同的 6 路，每一路的原理 图如图 4-11 所示。 图 4-11 驱动信号的隔离 1.3.4 键盘和 数码 显示电路 若将门 机控制系统的运行参数方便的进行操作及调试，应该完成键盘和显示电路设计的设计。一般设计包括串行和并行两种方式，由于串行接口具有抗干扰能力强，连线少的特点，所以本文采用了串行的方式。芯片选用了 ZLG7289A，该芯片具有 SPI 串行接口，可同时驱动 8 位共阴式数码管 (或 64 只独立 LED)，还可连接多达 64 键的键盘矩阵，单块芯片即可完成 LED 显示、键盘接口等全部功能 ZLG7289A，内部含有译码器，可直接接收 BCD 码或 16 进制码，并同时具有 2 种译码方式，此外还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等 芯片与单片机之间共有 4 根连接线，其中 CS 为片选信号线，低电平有效，KEY 为有键按下信号线，当有任意一键被按下时， ZLG7289A 锁存该键键值，同时 KEY 由高电平变为低电平，直到 CPU 读取键值后， KEY 才由低变高。 CLK为时钟信号线， DIO 为数据输入输出线。串行数据从 DIO 引脚送入芯片，并由CLK 端同步。当片选信号变为低电平后， DIO 引脚上的数据在 CLK 引脚的上升沿被写入 ZLG7289 的缓冲寄存器 (DIO 为输入态时 )或将键盘数据从 DIO 脚送出(DIO 为输出态时 )。 表 4-2 ZLG7289 的引脚及其功能见下表： 引脚 名称 说明 2 3、 5 4 6 7 8 9 10-16 17 18-25 26 27 28 Vdd NC Vss CS CLK DIO KEY SG-SA DP DIG0-DIG7 CLKO RC RESET 正电源 无连接，必须悬空 电源地 片选输入端，此引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据。 同步时钟输入端，向芯片发送数据及读取键盘数据时，此引脚电平上升沿表示数据有效。 串行数据输入 /输出端，当芯片接收指令时，此引脚为输入端，当读取键盘数据时，此引脚在 读 指令 令最后一个时钟的下降沿变为输出端。 按键有效输出端，平时为低电平，当检测到有效按键时，此引脚变为高电平。 段 g段 a 驱动输出 小数点驱动输出 数字 0数字 7 驱动输出 振荡输出端 RC 振荡器连接端 复位端 1.4 驱动和保护电路 控制电路中送出的控制信号送到驱动电路中，由驱动电路带动电机运行。驱动电路功率变换器由二极管整流桥、滤波电路、逆变器电路及相应的吸收、保护电路组成。整流桥将 220V 交流电整流为直流电，供逆变器使用。滤波电路由60OV/470pF 的大电容及其断电泻放电阻组成 。由于采用电容滤波，整个逆变器属于电压型逆变器。逆变器采用全桥全控式，开关元件由可关断器件组成，选用高频电力电子器件绝缘栅双极品体